Die Erfindung betrifft einen Hoch-Temperatur-Carbon-Reaktor (HTCR), der als Holz- und Holzkohlevergaser eingesetzt werden kann (beide Vorgänge, Holzvergasung und Holzkohlevergasung laufen während des Prozesses gleichzeitig ab), dessen damit erzeugbares Synthesegas wiederum benutzt werden kann um Verbrennungsmotoren damit zu betreiben, die ihrerseits wiederum mitteis Generatorantrieb elektrische Energie (Strom) erzeugen. Die Abwärmeenergie, die im Verbrennungsmotor entsteht, kann ebenfalls genutzt werden, z. B. über Wärmetauscher im Motorkühlwasserkreislauf, bzw. mit Wärmetauschern im Abgasstrom. Beim vorgeschlagenen Reaktor gibt es zwei Oxidationsbereiche, im ersten entsteht die thermische Energie für die endothermen Reaktionen, zum ande- rem findet in diesem Bereich die Kohlenstoffvergasung statt. Im zweiten Oxidationsbereich entsteht Kohlendioxid, dieses wird im ersten Oxidati- onsbereich als Vergasungsmittel gebraucht. Vom zweiten Oxidationsbereich strömt hoher Luftüberschuss von unten zum ersten Oxidationsbereich und ermöglicht hierdurch die hohe erforderliche Temperatur und stellt Sauerstoff für die Kohlenstoffvergasung zur Verfügung.

Verfahren zur Pyrolyse und Vergasung von kohlenstoffhaltigen Rohstoffen zur Erzeugung eines brennbaren Gasgemisches zur Verwendung in Verbrennungsmotoren sind schon seit ca. 150 Jahren bekannt. Bedeu- tung erlangte zu Beginn des 20ten Jahrhunderts die Vergasung von Kohle zur Bereitstellung eines hautsächlich kohlenstoff-monoxidhaltigen Brenngases, welches als Stadtgas oder auch Leuchtgas bezeichnet wurde.

Während und kurz nach dem zweiten Weltkrieg gewann die Pyrolyse von Holz zum Betrieb von Fahrzeugen mit Pyrolysegas eine besondere Bedeutung. Diese Verfahren konnten sich aber nicht durchsetzen, da das durch Pyrolyse erzeugte Brenngas hoch mit Teer kontaminiert war. Auch

BESTÄTIGUNGSKOPIE ist dieses Verfahren, verglichen mit dem Einsatz von fossilen Energieträgern, z.B. Benzin, unwirtschaftlich.

Die Holzpyrolyse könnte wirtschaftlich betrieben werden, wenn es gelingt, Gasreinigungsverfahren zu entwickeln, welche vor allem die hohen Teerbelastungen aus dem Pyrolysegas entfernen.

Eine wirksame Möglichkeit besteht darin, einen Teil des erzeugten Pyrolysegases dazu zu verwenden, die Teere partiell zu verbrennen.

Dies hätte allerdings zur Folge, dass die Holzpyrolyse dann nicht wirtschaftlich betrieben werden könnte, da durch die partielle Verbrennung der Heizwert des übrig bleibenden Brenngases sinkt. Ohne auf die verschiedenen Vergasertypen einzugehen, kann festgestellt werden, dass die Gasqualität sich mit zunehmender Prozesstemperatur verbessert. Dies bezieht sich sowohl auf den Heizwert, als auch auf die Gasreinheit.

Die Vergasung von Kohle(nstoff) erfolgt bei Temperaturen >1000 C°. Als Vergasungsmittel wird CO ₂ benötigt, welches bei hohen Temperaturen zusammen mit Kohlenstoff zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird. Entsprechend der Boudouarschen Reaktion in der Vergaserzone (Gleichgewichtsreaktionen) werden bereits bei 1000°C 99% des CO ₂ zu CO reduziert. Gemäß dieser Boudouarschen Reaktionen entstehen bei 450°C CO ₂ und CO in einem Verhältnis von 98% CO ₂ zu 2% CO. Bei 600°C 77% zu 23%, bei 800°C 6% zu 94% und bei 900°C 3% zu 97%. Das derart erzeugte Brenngas kann daraufhin beispielsweise in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, zum Beispiel zum Betrieb eines geeigneten Gasmotors welcher einen Generator antreibt und so elektrische Energie zur Verfügung stellt. Der Nachteil einer derartigen Vergasung von Kohlenstoff mit dem Vergasungsmittel Kohlendioxid besteht in der Erzeugung der erforderlichen hohen Temperaturen. Kurz beschrieben erfolgt die Kohlevergasung dadurch, dass ein Teil der eingebrachten Kohle mit Luftsauerstoff reagiert, und das derart erzeugte C0 ₂ durch ein Kohlebett geleitet wird, welches durch die oxidierende Kohle auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird. Es ist also ersichtlich, dass der Heizwert des bei der Kohlevergasung entstehenden Brenngases umso höher ist, je höher die Temperatur in der Reduktions- bzw. Vergasungszone ist. Auch bedeutet eine hohe Temperatur die Reduzierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und somit eine reinere Gasqualität. Die vorgeschlagene Reaktorvariante kann bei einer Energieumsetzungsanlage im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt werden, bei der als Basis ein oder mehrere Verbrennungsmotoren betrieben werden.

Als Primärbrennstoff können Holzhackschnitzel Verwendung finden. Auch organische Reststoffe wie Sonnenblumenschalen, Haferschalen, Haferspelzen, Nussschalen, Gärreste, Kirschkerne, Sägemehl, usw. können jetzt zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Holzhackschnitzel werden aus einem Bunker über Kettenförderer einem kombinierten Holz- Holzkohlevergaser zugeführt.

In dem kombinierten Holz-Holzkohlevergaser erfolgt die vollständige Vergasung der zugeführten Holzhackschnitzel zu einem brennbaren Synthesegas. Anfallende feste Abfallstoffe sind nur mineralische teerfreie Aschen, die je nach Bedarf einmal im Monat entfernt werden können. Das im kombinierten Holz-Holzkohlevergaser produzierte brennbare Synthesegas wird einem Fliehkraftabscheider zugeführt, und dort von groben Holzkohlestücken und Holzkohlestäuben befreit. Vom Fliehkraftabscheider kommend, wird das brennbare Synthesegas durch einen Nass- Kaltgaswäscher geleitet, von feinen Holzkohlestäuben gereinigt und ab- gekühlt. Die Abwärme wird dem Hackschnitzelsilo zur Hackschnitzeltrocknung zugeleitet. Das gekühlte Synthesegas wird Gasmotoren zugeführt, wobei vor jedem Motor anstelle einer Gas-Luftregelstrecke ein Ge- mischbehälter angebaut ist, in welchem notwendige Verbrennungsluft dem Synthesegas zugemischt, und anschließend gemeinsam in den Gasmotoren verbrannt wird. Die Gasmotoren treiben über Kupplungen Generatoren an, die umgesetzte elektrische Energie wird in das Netz des Versorgers eingespeist.

Das Kühlwasser der Gasmotoren durchläuft einen Wärmetauscher, die ausgekoppelte Wärme kann dann dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Als Primärbrennstoff können Holzhackschnitzel verwendet wer- den. Dabei ist für die einzelnen Holzteile keine bestimmte Größe oder Geometrie erforderlich. Um jedoch einen sicheren Transport zu gewährleisten, sollten die einzelnen Hackschnttzel nicht kleiner als 2 mm sein und nicht größer als 170 mm (Verkantungsgefahr). Es gibt keine Vorgaben zur Restfeuchte des Primärbrennstoffes.

Eine Restfeuchte größer als 5% ist jedoch zu bevorzugen, da die Wassermoleküle im kombinierten Holz-Holzkohlevergaser einer Thermolyse unterzogen werden und dies der Steigerung des Heizwertes des brennba- ren Synthesegases zu Gute kommt. Eine Restfeuchte zwischen 15% und 20% entspricht einem optimalen Heizwert des brennbaren Synthesegases. Eine obere Grenze der Restfeuchte ist nicht vorgegeben. Restfeuchten oberhalb von 45% sollten aber nur zur Anwendung kommen, wenn kein anderes Material zur Verfügung steht. Ein hoher Wasserdampfanteil im brennbaren Synthesegas geht zu Lasten des Heizwertes.

Bei dem Reaktor handelt es sich um einen Hoch-Temperatur-Kohlenstoff- Reaktor (HTCR), einem so genannten kombinierten Holz- und Holzkohlevergaser.

Die Hackschnitzel werden dem Reaktor über eine Schleuse zugeführt. Die Schleuse besteht aus zwei wechselnd öffnenden und schließenden Schiebern und einem sich zwischen den Schleusen befindlichen Stauraum. Im Reaktordeckel wird ein gekapseltes Pendel eingebaut, welches den Füllstand an Hackschnitzeln überwacht. Bei zu geringem Füllstand meldet der Reaktor Förderungsbedarf und die Kettenförderer beginnen mit der Förderung und Zubringung von Hackschnitzeln. Der letzte Transportkettenförderer fördert die Hackschnitzel in die Schleuse. Während des Befüllens der Schleuse ist der obere Absperrschieber geöffnet. Ist ein Maxi- malfüllstand in der Schleuse erreicht, stoppen alle Kettenförderer und der obere Schieber schließt sich. Erst nachdem der obere Schieber geschlos- sen ist, öffnet der untere Schieber, so dass die Hackschnitzel aus der Schleuse in den Reaktor fallen können. Nachdem die Schleuse entleert ist, schließt der untere Schieber wieder. Erst nachdem der untere Schieber geschlossen ist, öffnet sich der obere Schieber wieder und die Kettenförderer der Austragung beginnen wieder zu arbeiten. Die Schieber sper- ren sich gegenseitig, so dass niemals beide Schieber gleichzeitig geöffnet sein können. Die Schieber werden pressluftgesteuert und schließen in jeder Stellung sofort bei Stromausfall. Während des gesamten Zeitraumes, in welcher der Reaktor Brennstoff fordert, ist ein Rührwerk in Betrieb, welches die eingebrachten Hackschnitzel gleichmäßig verteilt. Der schemati- sehe Aufbau des Hoch-Temperatur-Carbon-Reaktors ist in Fig. 1 , in Verbindung mit der Indices-Liste 1 zu sehen.

Im oberen Bereich arbeitet der Reaktor konventionell. Dort werden die Hackschnitzel getrocknet und einer Pyrolyse unterworfen. Wasserdampf sowie entstehende Pyrolysegase werden in den unteren Bereich des Reaktors gesaugt. Im unteren Bereich des Reaktors befinden sich zwei räumlich getrennte Oxidationsbereiche. Die während und nach der Pyrolyse entstehende Holzkohle sammelt sich im oberen der beiden Oxidationsbereiche. Dort reagiert die Holzkohle mit zugeführter, vorgewärmter Au- ßenluft. Der Oxidationsbereich wird konstruktiv so geformt, dass ein bestimmter Teil der thermischen Versorgung der Trocknung und Pyrolyse, und der andere Teil der Vergasung der entstandenen Holzkohle dient. Der Teil des Oxidationsbereichs welcher die thermische Energie für Trocknung und Pyrolyse bereitstellt, erreicht eine Temperatur von ca. 800°C bis 850°C. Der Teil des Oxidationsbereichs, welcher der Vergasung der Holzkohle dient, erreicht Temperaturen von ca. 1200°C bis 1300°C.

Während der Trocknung entstandener Wasserdampf, sowie während der Pyrolyse entstandene Gase müssen konstruktiv bedingt in den oberen Bereich des heißen Oxidationsbereichs eintreten, werden zur Seite abgelenkt, und müssen den heißen Oxidationsbereich wieder an dessen Oberfläche verlassen. Im Gegensatz zu konventionellen Gleichstrom- Festbettvergasern wird somit kein anschließender Reduktionsbereich mehr vorhanden sein. Der heiße Oxidationsbereich ist gleichzeitig Reduk- tionsbereich, in welchem bei gleich bleib ender hoher Temperatur eine Krackung von polyzyklischen und aromatisch-polyzyklischen Kohlenwasserstoffen stattfindet. Teere können bedingt durch die gleich bleibend hohe Temperatur von mindestens 1200°C nicht mehr entstehen. Das in den Hackschnitzeln enthaltene Wasser wird in Form von Wasserdampf durch den heißen Bereich des Oxidationsbereichs geleitet. Oberhalb einer Temperatur von 1 100°C unterliegen die Wassermoleküle einer Thermolyse, d.h. die Wassermoleküle werden in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Der Sauerstoff reagiert mit Kohlenstoff zu Kohlenmo- noxid, der Wasserstoff bleibt zum Teil frei und verbindet sich zum anderen Teil mit Kohlenstoff zu Methan. Daher wird eine bestimmte Restfeuchte bevorzugt, da diese Restfeuchte der Gassynthese und der Steigerung des Heizwertes dient. Neben Wasserdampf werden im heißen Oxidationsbereich Luftsauerstoff und Kohlendioxid die Vergasungsmittel sein. Das Vergasungsmittel Kohlendioxid entsteht im zweiten Oxidationsbereich. Der zweite Oxidationsbe- reich besteht aus glühender Holzkohle aus dem heißen Oxidationsbereich, die nach Unterschreitung einer Mindestgröße durch einen Rost fällt, auf dem sich der heiße Oxidationsbereich befindet. Das Kohlendioxid welches im zweiten Oxidationsbereich entsteht dringt in den heißen, ersten Oxidationsbereich ein und zerfällt durch die hohe Temperatur in Kohlenmonoxid und Sauerstoff. Der hierbei frei werdende Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff im heißen Oxidationsbereich ebenfalls zu Kohlenmonoxid.

Dadurch wird erreicht, dass nur noch mineralische Aschen als Abfallprodukt entstehen. Die Strömungsrichtungen der Gase sollen im Reaktor von Unterdruck erzeugenden Gasmotoren (Saugmotoren) vorgegeben werden.

Eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Hoch-Temperatur- Carbon-Reaktors ist in Fig. 2 in Verbindung mit der Indices-Liste 2, Reaktor-Funktion, zu sehen. Die thermische Energiezufuhr für Trocknen, Pyrolyse und Verkohlen erfolgt seitlich. Der Wärmestrom nach oben läuft nicht mehr gegen den Gasstrom nach unten. Der Gasstrom tritt von oben in den Oxidationsbereich ein und verläuft dann seitlich. Der Gasstrom verlässt den Oxidationsbereich wieder durch dessen Oberfläche. Dadurch, dass Wärmestrom nach oben und Gasstrom nach unten sich nicht mehr gegenseitig behindern, ist die Wärmeübertragung in den Trocknungs- und Pyrolysebereich deutlich verbessert. Durch den seitlichen Verlauf des Gasstroms im Oxidationsbereich erfolgt die Reduktion in nur noch einem Bereich bei gleich bleibend hoher Temperatur. In einem zweiten Oxidationsbereich wird aus überschüssiger Holzkohle das Vergasungsmittel Kohlendioxid produziert, welches notwendig ist, Holzkohle im ersten, heißen Oxidationsbereich zu vergasen. Bei dem Hochtemperaturcarbonreaktor handelt es sich also um eine Konstruktion, bei der sich der Wärmestrom für die endothermen Reaktionen (Trocknen, Pyrolyse, Verkohlen) und der gegenläufige Gasstrom (Pyrolysegas, Wasserdampf) nicht mehr gegenseitig behindern. Die beiden Oxidationsbereiche sind zwei Festbettbereiche. Der untere Oxidationsbereich produziert das Vergasungsmittel für die Vergasung der Holzkohle im ersten Oxidationsbereich.

Der Hochtemperaturcarbonreaktor zielt somit darauf ab, in erster Linie kein Holzgas zu produzieren, sondern Holzkohle, deren Kohlenstoffanteil vergast wird. Dadurch entstehen als feste Abfallprodukte nur noch mineralische Aschen. Bedingt durch die hohe Arbeitstemperatur ist die Entstehung von Teeren und anderen nicht gewünschten unverbrannten Kohlenwasserstoffen ausgeschlossen.

Bei dem Hochtemperaturcarbonreaktor handelt es sich somit um eine völlige technische Neuerung, die im Gegensatz zu konventionellen Vergasern das Synthesegas in erster Linie aus der Vergasung von während einer Pyrolyse entstandener Holzkohle produziert.

Bei dem Massenkraftabscheider kann es sich um einen konventionellen Fliehkraftabscheider, einem so genannten Zyklon handeln. Durch die hierbei vorliegenden Fliehkräfte werden Holzkohlestäube und größere feste Holzkohlefraktionen vom Gas getrennt. Das Gas wird somit von enthalte- nen Stäuben und Verunreinigungen befreit und dem Nass-Kalt- Gaswäscher zugeführt.

Im Zyklonabscheider sollen lediglich Holzkohlestücke und Holzkohlestaub abgeschieden werden, um dem Reaktor als Brennstoff im kohienstoffver- gasenden Oxidationsbereich zugeführt zu werden. Die beschriebene Reaktorvariante stellt somit ein hocheffizientes System dar, mit dem brennbares Synthesegas aufbereitet werden kann, das z. B. für den Betrieb von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden kann, die wiederum in Blockheizkraftwerken eingesetzt werden können, um damit mechanische Energie zu erzeugen, mit der mittels Generatorantrieb elektrische Energie (Strom) gewonnen wird. Die beim Verbrennungsmotorbetrieb entstehende Abwärme, die im Kühlwasser oder im Abgas enthalten ist, kann somit ebenfalls größtenteils vorteilhaft genutzt werden.

Indices-Liste: Fig. 1 , Reaktoraufbau

1 Initiator / Füllstandsüberwachung

2 Getriebemotor / Rührwerk Verteilung

3 Schleuse / Brennstoffzufuhr

4 Gasring / Synthesegas Abführung

5 Schamott

6 Kern / Gasabfuhr

7 Primärluftzufuhr

8 Rost / darüber Oxidationsbereich I.

9 Sekundärluftzufuhr

10 Oxidationsbereich II. / Aschekasten Indices- Liste: Fig. 2, Reaktor-Funktion

21 Hackschnitzel

22 Synthesegas

23 Trocknen

24 Pyrolyse

25 Verkohlen

26 Vergasen im ersten Oxidationsbereich

27 Primärluft

28 O, CO ₂

29 Zweiter Oxidationsbereich